地理信息系統概論一、GIS基本概念①數據：人類在認識世界和改造世界的過程中，定性或定量對事物和環境描述的直接或間接原始記錄，是一種未經加工的原始資料，是客觀對象的表示?？梢砸远喾N方式和存儲介質存在。②信息：用文字、數字、符號、語言、圖像等介質來表示事件、事物、現象等的內容、數量或特征，從而向人們或系統提供關于現實世界新的事實和知識，作為生產、建設、經營、管理、分析和決策的依據。特征：客觀性、適用性、可傳輸性、共享性。二者關系：信息來源于數據，是數據內涵的意義和對數據的內容的解釋。③地理數據：各種地理特征和現象間關系的數字化表示。其描述包括空間位置、屬性特征和時域特征。（空間位置、屬性和時間是地理空間分析三大要素）空間位置：描述地物所在的位置，又可稱為幾何數據。屬性數據：非空間數據，屬于一定地物、描述其特征的定性或定量指標。時域特征：地理數據采集或地理現象發生的時刻。地理數據特征：空間上的分布性、數據量上的海量性、載體的多樣性、位置與屬性的對應性。④地理信息：有關地理實體和地理現象的性質、特征和運動狀態的表征和一切有用的知識。特征：信息基本特性、空間相關性、空間區域性、空間多樣性、空間層次性。⑤信息系統：具有采集、管理、分析和表達數據能力的系統。組成：計算機硬件、軟件、數據、用戶、（知識）。⑥地理信息系統：又叫地學信息系統或資源與環境信息系統，是在計算機軟硬件系統支持下，對整個或部分地球表層的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。基本內涵：1°GIS的物理外殼是計算機化的技術系統，由若干個互相關聯的子系統組成，其結構和優劣程度直接影響GIS的功能、效率等。2°GIS的操作對象是空間數據，即點線面體這類有三維要素的地理實體和現象。GIS區別于其他信息系統的根本標志：空間數據都按統一的地理坐標進行編碼，實現對其定位、定性和定量的描述。3°GIS的技術優勢在于它的數據綜合、模擬和分析評價能力，實現地理空間過程演化模擬和預測分析。4°GIS和測繪學、地理學有著密切關系。二、GIS功能①基本功能需求：位置、條件、趨勢、模式、模擬。②基本功能：1°數據采集功能：通過各種數據采集設備來獲取現實世界的描述數據，并輸入GIS。如地面測量和歷史數據的輸入，模擬地圖的掃描輸入，遙感影像的柵格輸入。2°數據編輯和處理：為了保證數據在內容、邏輯、數值上的一致性和完整性，GIS應提供強大的編輯功能，如圖形編輯、數據變換、數據重構、拓撲建立、數據壓縮等。3°數據存儲、組織和管理功能：數據結構：矢量數據結構和柵格數據結構；數據組織管理模式：文件-關系數據庫混合管理模擬模式、全關系型數據管理模式、面向對象數據管理模式等。4°空間查詢和空間分析功能；5°數據輸出功能：通過圖形、表格和統計圖表顯示空間數據及分析結果，脫胎于計算機制圖。三、GIS組成GIS運行環境組成：計算機硬件系統、軟件系統、網絡、空間數據和管理與應用人員。核心是計算機硬軟件系統，空間數據反映了GIS地理內容，管理人員和用戶決定系統的工作方式和信息表示方式。①硬件系統：GIS的物理外殼，計算機系統中實際物理裝置的總稱，影響系統的規模精度速度等。包括輸入設備、處理設備、存儲設備和輸出設備。輸入設備除了常規設備還有如GPS、全站儀、數字攝影測量、遙感等專用設備。硬件配置模式：（1）單機模式：有基本外設、處理設備和輸出設備構成，適用于小型GIS建設，數據傳輸和資源共享不便；（2）局域網模式：部門或單位內部GIS建設，專線連接，資源共享方便；（3）廣域網模式：用戶分布地域廣泛，公共通訊連接，資源共享方便，局部為局域網，通過通道和廣域網相連。②軟件系統：GIS運行必需的各種程序，包括GIS支撐軟件、GIS平臺軟件和GIS應用軟件。1°GIS支撐軟件：GIS運行必需的軟件環境，如OS、數據庫管理系統、圖形處理系統等；2°GIS平臺軟件：GIS五大子系統：空間數據輸入與轉換、空間數據編輯、空間數據管理、空間查詢和空間分析、制圖與輸出。3°GIS應用軟件：面向應用部門，經二次開發形成。③空間數據：1°幾何坐標：標識地理實體和地理現象在某個已知坐標系中的空間位置；2°拓撲關系：點線面實體間的空間聯系，是GIS重要特色之一；3°非幾何屬性：簡稱屬性，是和地理實體與地理現象相聯系的地理變量或地理意義，分為定性和定量兩種。④人員：GIS中重要構成因素。四、GIS分類GIS類型按功能分應用功能工具型GIS、應用型GIS、大眾型GIS軟件功能專業GIS、桌面GIS、手持GIS、組件GIS、GIS瀏覽器按數據結構分矢量GIS、柵格GIS、矢量-柵格GIS按數據為數分2DGIS、3DGIS、TGIS按軟件開發模式和支持環境分GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS、核心式GIS、組件式GIS和WebGIS、互操作GIS工具型GIS：具有GIS基本功能、供其他系統調用或用戶進行二次開發的操作平臺，如ArcGIS。應用型GIS：根據用戶的需求和應用目的設計的一類或多類專門型GIS，一般是在工具型GIS基礎上通過二次開發完成的。五、GIS和其他學科關系地理學——GIS的分析理論基礎，為GIS提供引導分析的方法和觀點；測繪學和遙感技術——為GIS提供多種信息源，其理論算法可直接用于空間數據變換、處理；機助制圖——GIS的起源。①GIS和機助制圖系統：機助制圖是GIS主要技術基礎，都強調空間數據的處理、顯示和表達，而GIS有功能強大的空間分析功能。②GIS和數據庫管理系統：GIS的空間數據存儲在事務數據庫中，但在數據采集、空間分析、數據可視化等方面比事務數據庫強大得多。③GIS和CAD（計算機輔助設計）、CAM（計算機輔助制造）：都有坐標參考系，都能描述和處理圖形數據和空間關系，也能處理非圖形屬性數據，但GIS處理的圖形關系復雜，有豐富的符號庫和屬性庫，有較強的空間分析功能，且多具專業化特征。④GIS和遙感圖像處理系統：遙感系統缺少實體的空間關系描述，難以進行某一實體的屬性查詢和中間關系查詢以及網絡分析功能等。六、GIS歷史發展①網格GIS：網格被稱為第三代互聯網應用，它是把整個互聯網整合成一臺巨大超級計算機，實現各種資源共享。網格計算是一種利用互聯網或專用網絡把地理上分布的各種計算機、計算機集群、存儲系統和可視化系統等集成在一起?；诰W格計算的GIS平臺，能分布式、協作化和智能化地處理地理信息，特別適合用于解決涉及大量空間分析的問題，其最大目標是實現空間信息的網格化。網格計算應用到GIS中，和計算資源、空間地理數據和通信等集成，構成較完整的空間信息服務系統。②移動GIS：無線通信技術、移動定位技術WebGIS的結合形成了移動GIS和無線定位服務。它可以使GIS用戶隨時方便雙向互動地獲取網絡提供的各種地理信息服務，還可以使地理信息隨時隨地為任何人任何事進行服務。使GIS走向大眾化和社會化。③GIS在智慧城市中的作用：智慧城市需要有智能分析和智能服務的功能，而要做到智能分析與智能服務，時空信息必須要參與其中，并且要提供大力的支持，這就是為什么強調智慧城市要與物聯網和傳感網緊密結合。GIS在城市信息化中的作用很大，起到了重要的基礎性的支撐作用，成為數字城市的基礎平臺。要想實現智慧城市最便捷的方法是在現有的數字城市基礎之上連接物聯網及傳感網，得到城市實時狀態信息，使各種狀態信息具有精確的時間和空間標簽，同時擴展現有GIS的功能，使之能夠接入、管理各種時空信息，并開發基于時空信息的智能分析與智能服務工具軟件，使之成為一個智慧城市的空間信息支撐平臺。智慧城市就是運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求做出智能響應。其實質是利用先進的信息技術，實現城市智慧式管理和運行，進而為城市中的人創造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續成長。第二章地理空間數學基礎一、地球空間參考①地球表面幾何模型：1°地球自然表面：起伏不平、十分不規則的表面，不適合數字建模；2°大地水準面：假設海水處于完全靜止的平衡狀態，從海平面延伸到所有大陸下部，和地球重力方向處處正交的一個連續閉合的水準面，是一個重力等位面，存在局部不規則起伏，并不是嚴格數學曲面。大地體：大地水準面包圍的形體。3°地球橢球面：大地體總體上接近旋轉橢球，在大地測量和GIS中都選擇一個旋轉橢球作為理想模型，叫做地球橢球，也叫參考橢球。橢球定位：依據一定的條件（依據什么要求使大地水準面和橢球面符合，對軸向的規定），將參考橢球和大地體的相關位置確定下來?；疽螅簠⒖紮E球短軸和地球旋轉軸平行。參考定位：強調局部地區大地水準面和橢球面較好的定位，如我國西安80坐標系；絕對定位：強調全球大地水準面和橢球面符合較好的定位，如WGS-84坐標系。4°數學模型。②坐標系統：1°球面坐標系統：（1）天文地理坐標系：以大地體為依據，地心為原點，Z軸和地球平自轉軸重合，ZOX是天文首子午面（格林尼治天文臺），XOY為地球平均赤道面。地面垂線方向不規則，不一定指向地心，不一定和地軸相交。地表面不是大地水準面，高程也列入天文坐標中。天文經度：首天文子午面和測站天文子午面的夾角，東正西負。天文緯度：測站垂線方向和地球平均赤道面的夾角，北正南負。（2）大地地理坐標系：以地球橢球為依據，用定義原點和軸系以及相應基本參考面標示大地域地理空間位置的參照系。大地經度：大地首子午面和測點的大地子午面間的二面角。大地緯度：測點對橢球的法線和赤道面的交角。（3）空間直角坐標系：參心坐標系：在參考橢球上建立三維直角坐標系，原點為橢球中心。地心地固坐標系：原點是地球質心，Z軸指向北極，X軸指向格林尼治平均子午面和地球赤道的交點，Y軸垂直于XOZ平面。2°平面坐標系統：需要指定地面點位的地理坐標（經緯度）和地面上相對應的平面直角坐標間建立函數關系。③高程基準：高程：地球上一點至參考基準面的距離。也叫標高或海拔高。高程系統：相對于不同性質的參考面所定義的高程體系，正高：大地水準面，正常高：似大地水準面，大地高：地球橢球面。高程基準：高程起算水準基面和一個永久性水準原點。水準基面一般采用大地水準面。我國主要高程基準：（1）1956黃海高程系：以青島港驗潮站的長期觀測資料推算出的黃海平均海平面作為中國水準基面，水準原點在青島驗潮站附近。（2）1985國家高程基準：基準面是青島大港驗潮站52-79年驗鈔資料確定的黃海平均海面。二、空間數據投影①為什么要進行投影：1°地理坐標是球面坐標，不方便進行距離、面積等參數的量算；2°參考橢球米安是一個不可展曲面，不能不產生裂隙或褶皺地將其展成平面；3°平面地圖符合人的視覺心理，易于進行空間分析。②地圖投影的方法：1°幾何透視法：利用透視關系，將地球體面上的點投影到投影面上的方法。缺點：難于糾正投影變形，精度較低。2°數學解析法：在球面和投影面間建立點與點的函數關系，通過數學方法確定經緯線交點位置的方法。③地圖投影的分類：1°按地圖投影的構成方法分類：（1）幾何投影：把橢球面上的經緯線網投影到幾何面上，然后將幾何面展位平面得到。又可根據輔助投影面類型分為：方位投影、圓柱投影和圓錐投影，可根據投影面和地球橢球的關系分為正軸投影、橫軸投影和斜軸投影，還可根據投影面和地球的位置關系分為割投影和切投影。（2）非幾何投影：不借助幾何面，根據某些條件用數學解析法確定球面和平面間點和點的函數關系。又可根據經緯線形狀分為：偽方位投影、偽圓柱投影、偽圓錐投影和多圓錐投影。2°按投影變形性質分類：（1）等角投影：任何點上二微分線段組成的角度投影前后保持不變，投影前后對應的微分面積保持圖形相似，也叫正形投影。（2）等積投影：在投影平面上任意一塊面積和橢球面上相應面積相等，面積變形為零。（3）任意投影：長度、面積和角度都有變形。（4）等距投影：面積變形小于等角投影，角度變形小于等積投影。④常用地圖投影：1°高斯-克呂格投影：橫軸切圓柱等角投影。經緯線特征：中央經線和赤道為相互垂直的直線，其他經線為凹向，對稱于中央經線的曲線；其他緯線為對稱于赤道的向兩極彎曲的曲線，經緯線呈直角相交。變形特征：同一經線上，長度變形隨緯度降低而增大，赤道處最大；在同一緯線上，長度變形隨經差增加而增大，且增大速度較快。優點：適合于幅員廣大的國家或地區，按經線分帶進行投影，各帶坐標系、經緯網形狀、投影公式和變形情況都是一樣的，利于全球地圖拼接。缺點：長度變形較大，導致面積變形也較大。影響變形的主要因素是經差，要保證地圖精度，要限制經差，因此采用分帶投影法，將全球分為若干條帶，每個條帶單獨投影。常用的有6°分帶法和3°分帶法，我國的1:1萬比例尺地形圖采用3°分帶法，1:2.5萬—1:50萬比例尺地形圖采用6°分帶法，可以保證每個投影帶內長度變形小于等于1.38‰。2°UTM投影：橫軸墨卡托投影，橫軸割圓柱等角投影。圓柱面在84°N和84°S和橢球面相切。UTM投影和高斯-克呂格投影十分相似，只是中央經線長度比小于1，改善了高斯-克呂格投影在低緯地區的變形，是國際較通用的地圖投影，主要用于全球經度84°N~80°S間的地區制圖。3°蘭勃特等角投影：正軸等角割圓錐投影，和球面割于兩標準緯線，投影后緯線為同心圓弧，經線為同心圓半徑。投影變形小而均勻，我國1:100萬比例尺地形圖采用蘭勃特投影。⑤地圖投影的選擇：制圖區域的范圍、形狀和地理位置，地圖用處、出版方式及其他特殊要求。世界地圖常用正圓柱、偽圓柱和多圓錐投影，常用墨卡托投影。我國的世界賭徒多用等差分緯線多圓錐投影。半球地圖：東西半球圖常用橫軸方位投影，南北半球圖常用正軸方位投影，水陸半球圖一般用斜軸方位投影。三、空間坐標轉換空間坐標轉換：把空間數據從一種空間參考系映射到另一種空間參考系中，也叫投影變換。轉換方法：1°解析變換法：又有正解變換法和反解變換法。2°數值變換法，多項式擬合。利用兩投影間的若干離散點，用數值逼近方法來建立兩投影間的關系式。四、空間尺度①比例尺：當制圖區域較小時，比例尺具體指圖上長度和地面間的長度比例，當制圖區域較大時，投影比較發雜，這時比例尺的含義是在進行地圖投影時，對地球半徑縮小的比率，也叫做地圖主比例尺，只有在沒有長度變形的點或線上，才可以用地圖標注的主比例尺進行量算。我國比例尺分級系統：大比例尺：1:500-1:10萬；中比例尺：1:10萬-1:100萬；小比例尺：1：100萬以上。②分辨率：光譜分辨率、時間分辨率、空間分辨率。地理網格地理網格：按一定的數學規則對地球表面進行劃分而形成的格網?？臻g數據模型一、地理空間和空間抽象①地理空間：地球表面及近地表空間，是地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和智慧圈交互作用的區域。②空間實體：對復雜的地理事物和現象進行簡化抽象得到的結果。特征：1°空間位置特征：也叫幾何特征，包括空間實體的位置、大小、形狀和分布狀況等，常用地理坐標表示；2°屬性特征：也叫非空間特征、專題特征，是與空間實體相聯系的，表征空間實體本身性質的數據或數量，常分為定性屬性和定量屬性；3°時間特征：空間實體隨著時間變化而變化的特征；4°空間關系特征：空間實體相互之間存在著的密切聯系，包括拓撲關系、順序關系和度量關系。③空間實體抽象：1°概念模型：地理空間中地理事物和現象的抽象概念集，是地理數據的語義解釋，是系統抽象的最高層。構造原則：語義表達能力強，易于用戶理解，獨立于具體計算機實現，盡量和系統邏輯數據模型保持同一表達形式，不需要轉換，或者易向邏輯數據模型轉換。2°邏輯數據模型：GIS描述概念模型中實體及其關系的邏輯結構，是系統抽象的中間層，是用戶通過GIS看到的現實世界和地理空間。構造原則：易于用戶理解，易于物理實現，易于轉換成物理數據模型。3°物理數據模型：概念模型在計算機內部具體的存儲形式和操作機制，是最底層。數據概念模型①對象模型（要素模型）：將研究的整個地理空間看做一個空域，地理現象和空間實體作為獨立對象分布在空域中。強調地理空間中的單個地理現象。按照空間特征分為點線面體四種基本對象，每個對象對應著一組相關屬性以區分不同對象。適合于有明確邊界的地理現象進行抽象建模，如建筑物、道路、公共設施、湖泊、河流、森林等可被看做離散的單個的地理現象。對象模型把地理現象當做空間要素或空間實體。一個空間要素必須同時符合三個條件：1°可被標識；2°在觀察中的重要程度；3°有明確特征且可被描述。傳統地圖是以對象模型進行地理空間抽象和建模的典型實例。②場模型（域模型）：把地理空間中的現象作為連續的變量或體來看到，如大氣污染程度、地表溫度等。場可以表現為二維或三維，二維場就是在二維空間中任意給定的一個空間位置上都有一個表現某現象的屬性值。不考慮時間變化，二維空間場一般用六種具體場模型描述：1°規則分布的點；2°不規則分布的點；3°規則矩形區；4°不規則多邊形；5°不規則三角形區；6°等值線。③網絡模型：用以描述不連續的地理現象，和對象模型的區別在于它需要考慮通過路徑相互連接多個地理現象之間的連通情況。網絡是由一系列節點和環鏈組成的，可以看成對象模型的一個特例，是點對象和線對象之間的拓撲空間關系構成的。空間數據與空間關系①空間數據類型：1°幾何圖形數據：來源于各種地圖和實測的幾何數據，反映空間實體的地理位置和實體間的空間關系；2°影像數據：主要來源于衛星遙感、航空遙感和攝影測量等；3°屬性數據：來源于實測數據、文字報告，或地圖中各類符號說明，以及從遙感影像數據通過解譯得到的信息等；4°地形數據：來源于地形圖等高線的數字化，已建立的格網狀的數字化高程模型或其他形式表示的地形表面；5°元數據：對空間數據進行推理、分析和總結得到的關于數據的數據。②空間數據的表示：1°點：既可以使一個標志空間點狀實體，也可以是標記點僅用于特征的標注和說明，或作為面域的內點用于表明該面域的屬性，或是線的起點、重點或交點，叫做節點。2°線：具有相同屬性點的軌跡，線的起點和終點表明了線的方向。當線連接兩個節點時，也叫作弧段或鏈。3°面：線包圍的有界連續的具有相同屬性值的面域，或叫多邊形。被多邊形包含的多邊形叫島。點線面可以按照一定的地理意義組成區域，又叫做一個覆蓋，或數據平面。③空間關系：1°拓撲空間關系：圖形在保持連續狀態下的變形但圖形關系不變的性質，拓撲空間中不考慮距離函數。鄰接關系：空間圖形中同類元素間的拓撲關系；關聯關系：空間圖形中不同類元素間的拓撲關系；包含關系：空間圖形中不同類或同類但不同級元素間的拓撲關系；連通關系：空間圖形中弧段之間的拓撲關系空間實體間也存在著拓撲關系，點線面三種空間實體間存在分離、相鄰、重合、包含或覆蓋、相交五種可能關系。拓撲關系的意義：能清楚地反映實體間的邏輯結構關系，比幾何坐標關系有更大的穩定性，不隨投影變換而變化；利用拓撲關系有利于空間要素的查詢；可以根據拓撲關系重建地理實體。2°順序空間關系：基于空間實體在地理空間的分布，采用上下前后左右東南西北等方向性名詞來描述，必須在對空間實體間方位進行計算后才能描述，十分復雜。隨著空間數據的投影、幾何變換，順序空間關系也會變化，在現在的GIS中并不對其進行描述和表達。3°度量空間關系：空間實體間的距離關系?？梢允嵌康?，也可以是定性，距離值隨著投影和幾何變換而變化，計算較為復雜，GIS中一般也不明確描述度量空間關系。空間邏輯數據模型空間邏輯數據模型：概念模型向物理數據模型轉換的橋梁，根據概念模型確定的空間信息內容，以計算機能理解和處理的形式，具體地表達空間實體及其關系。①矢量數據模型：點實體用一對空間坐標表示，線實體用一串坐標對表示，面實體由其邊界線表示，表示為首尾相連的坐標串。每一個實體都給定一個唯一標識符來標志該實體。矢量數據模型中，可以明確描述圖形要素間的拓撲關系，多邊形邊界被分割成一系列弧段和節點，弧段、節點和多邊形間的拓撲關系表達在拓撲關系表中，相鄰多邊形間的公共邊只需表達一次，減少了描述的數據量，避免了雙重邊界不能精確重合的問題。②柵格數據模型：比較適宜于用場模型抽象表達空間對象，采用面域或空域的枚舉來直接描述空間實體。柵格可用數字矩陣表示，地理空間坐標隱含在矩陣的行列中。點實體是一個柵格單元或像元，線實體由一串彼此相連的像元構成，面實體由一系列相鄰的像元構成。每個像元大小一致，且對應于一個表述該實體屬性的值，若需要描述同一地理空間的不同屬性，可以將數據分層，每層描述一種屬性。柵格單元大小影響細節信息，其形狀通常是正方形也可以是矩形。柵格的行列信息和原點地理位置記錄在每一層中。柵格空間分辨率：一個像元在地面所代表的實際面積大小。優點：不同類型的空間數據層可以進行疊加操作，不需要經過復雜的幾何計算；缺點：對于一些變換、運算，如比例尺變換，操作不太方便。③矢量-柵格一體化數據模型：對地理空間實體同時按矢量數據模型和柵格數據模型來表述，面狀實體邊界采用矢量數據模型描述，而其內部采用柵格數據模型表達；線狀實體一般采用矢量數據模型表達，同時將線經過的位置以柵格單元充填；點實體則同時描述其空間坐標和柵格單元位置。特點：保留了矢量數據模型的全部特性，空間實體具有明確的位置信息，并能建立和描述拓撲關系；又建立了柵格和實體的聯系，明確了柵格和實體的對應關系。本質上是以柵格為基礎的數據模型，對空間實體和其關系描述的數據量增大。④鑲嵌數據模型：采用規則或不規則的小面塊幾何來逼近自然界不規則的地理單元，適合于用場模型抽象的地理現象。通過描述小面塊的幾何形態、相鄰關系和面塊內的屬性特征變化來建立空間數據的邏輯數據模型。1°規則鑲嵌數據模型：采用正方形或矩形進行地理空間劃分時就轉化成了柵格數據模型。構造規則鑲嵌的做法：用數學手段將一個鋪蓋網格疊置在研究區域上，把連續的地理空間離散為互不覆蓋的面塊單元。劃分后，簡化了空間變化的描述，同時也使空間關系明確，可以進行快速布爾運算。每個網格的有關信息都是基本的存儲單元。優點：其數據結構為通常的二維矩陣結構，不管沿水平還是垂直方向都能方便地遍歷這種結構，而且處理這種結構的算法很多，大多數程序語言中都有矩陣處理功能；以矩陣形式存儲的數據有隱式坐標，不需要進行坐標數字化；規則格網系統便于實現多要素的疊置分析。2°不規則鑲嵌數據模型：適用于用有限離散的觀測樣點來表示某地理現象的空間分布規律，用來進行鑲嵌的小面塊具有不規則的形狀或邊界。Voronoi圖：組成Voronoi多邊形的邊總是與相鄰兩個樣點的連線垂直，并且多邊形內的任何位置總是離該多邊形內樣點的距離最近，離相鄰多邊形內樣點的距離遠，且每個多邊形內包含且僅包含一個樣點。以Voronoi多邊形內的樣點屬性作為整個多邊形區域的屬性，，只要給定若干空間離散點就可以得到完整覆蓋地理區域的Voronoi圖。表達Voronoi多邊形的頂點位置、各邊和頂點的連接關系、多邊形間的連接關系以及多邊形包含的樣點就可以得到Voronoi多邊形的邏輯數據模型。Voronoi多邊形可以表達地理空間現象，還可以有效地用于許多分析問題，如鄰接、接近度和可達性分析等，以及解決最近點和最小封閉圓問題。TIN模型：采用不規則三角網覆蓋地理空間，樣點位置控制著三角形頂點，三角形盡可能接近等邊。TIN能較好地表達地理現象的空間變化，如地形表面就可用三角網擬合。優點：三角形大小隨樣點密度的變化而自動變化，所有樣點都稱為三角形的頂點，當樣點密集時生成的三角形小，而樣點稀疏時三角形較大。TIN在表示不連續地理現象時也有優勢，如用TIN表示地形變化，將懸崖、斷層、海岸線等作為約束條件，可構造約束TIN。Delaunay三角網：TIN的特例和Voronoi多邊形對偶，滿足最大空圓準則的三角網，任一三角形的外接圓內不包含其他樣點。特性：三角網網形唯一、每一個三角形內角為最大可能角度，符合“三角剖分最小內角為最大”的最優化條件。不規則網格的優點：可以消除數據冗余、格網結構本身可適應于數據的實際分布；這種模型分辨率可以變化，基本多邊形的大小和密度在空間上是變動的；不規則格網能進行調整，以反映空間每一區域中的數據事件的密度；單元的大小、形狀和走向反映著數據元素本身的特性。⑤面向對象數據模型：適用于采用對象模型抽象和建模的空間實體表達，應用面對對象方法描述空間實體及其相互關系。核心是對象和類。將對象的屬性和方法進行封裝、概括、聚集、聯合等抽象技術以及繼承和傳播等抽象工具?？臻g數據結構一、矢量數據結構矢量數據結構是對矢量數據模型進行數據的組織。通過記錄實體坐標及其關系，盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體，坐標空間設為連續，允許任意位置、長度和面積的精確定以。矢量數據結構直接以幾何空間坐標為基礎，記錄樣點坐標。該結構還可以對復雜數據以最小的數據冗余進行存儲，還有數據精度高、存儲空間小等特點，是一種高效的圖形數據結構。幾何圖形及其關系用文件方式組織，而屬性數據通常采用關系型表文文件記錄，兩者通過實體標識符連接。這一特點在某些方面有很高的效率和精度。①實體數據結構：也叫Spaghetti數據結構，指構成多邊形邊界的各個線段，以多邊形為單元進行組織。有兩種組織方式：（1）獨立編碼方式：每個多邊形的每個邊界點都獨立編碼并記錄坐標，然后將多邊形ID、坐標、類別碼記錄成表文件；（2）用一個文件記錄所有邊界點的坐標（點位字典），然后用多邊形文件記錄多邊形ID、組成多邊形的點號串和類別碼。優點：編碼容易：數字化操作簡單、數據編排直觀。缺點：（1）相鄰多邊形的公共邊界要數字化兩邊，造成數據冗余存儲，可能導致輸出的公共邊界出現間隙或重疊；（2）缺少多邊形的領域信息和圖形的拓撲關系；（3）島只作為一個單個圖形，沒有和外界多邊形建立聯系。適用范圍：簡單的系統，如計算機地圖制圖系統。②拓撲數據結構：具有拓撲關系的矢量數據結構就是拓撲數據結構，其共同特點是：點是相互獨立的，點連城線，線構成面。每條線始于起始節點，終于終止節點，并與左右多邊形相鄰接。其最重要的特征是具有拓撲編輯功能。（1）索引式結構：采用樹狀索引以減少數據冗余并間接增加領域信息。具體方法是對所有邊界點進行數字化，將坐標對以順序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯系，以線索引和各多邊形相聯系，形成樹狀索引。需要三個表文件：點坐標文件、邊文件和多邊形文件。優點：消除了相鄰多邊形邊界的數據冗余和不一致問題，在簡化過于復雜的邊界線或合并多邊形時可不必改造索引表，領域信息和島狀信息可以通過對多邊形文件的線索引處理得到。缺點：比較繁瑣，因而給領域函數運算、消除無用邊、處理島狀信息以及檢查拓撲關系等帶來一定的困難，而且兩個編碼表都要人工建立，工作量大且容易出錯。（2）雙重獨立編碼結構（DIME）：對圖上網狀或面狀要素的任何一條線段，用順序的兩點定義以及相鄰多邊形來定義，即記錄線號以及該線段的起點終點、左右多邊形。特點是采用了拓撲編碼結構，適合于城市信息系統，如城市地籍宗地管理。這種結構需要三個表文件：線段拓撲關系文件、點文件和面文件。優點：利用拓撲關系組織數據，可以有效地進行數據存儲正確性檢查，同時便于對數據進行更新和檢索，還可以達到數據自動編輯的目的。該結構還可以自動形成多邊形，并可以檢查線文件數據正確性。（3）鏈狀雙重獨立編碼結構：DIME的改進，將若干直線段合為一個弧段（鏈段），每個弧段可以有許多中間點。這種結構中主要有四個文件：多邊形文件、弧段文件、弧段點文件、點坐標文件。多邊形文件包括多邊形號、組成多邊形的弧段號、周長、面積、中心店坐標，當多邊形中有洞時，洞的面積為負值，組成的弧段號也加上負號?；《挝募ɑ《纹鹬构濣c號和弧段左右多邊形號?；《吸c文件包括一系列點位置坐標，鏈段的順序決定于數字化順序。點坐標文件包括每個節點的節點號、節點坐標和該節點連接的弧段。ArcGIS中的Coverage數據模型就是采用鏈狀雙重獨立編碼結構的。二、柵格數據結構柵格數據結構是以規則柵格陣列表示空間對象的數據結構。柵格陣列的每個單元的行列號確定位置，屬性值表示空間對象的類型、等級等特征。每個柵格單元只有一個值。柵格數據結構表示的地表是不連續的，是量化和近似離散的數據。點用一個柵格單元表示，線狀地物用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示，每個柵格單元最多只有兩個相鄰單元在線上，面或區域用記有區域屬性的相鄰柵格單元的集合表示，每個柵格單元可有多余兩個的相鄰單元同屬一個區域。特點：屬性明顯、定位隱含。數據結構簡單、數學模擬方便。但數據量大，難以建立實體間的拓撲關系，通過改變分辨率而減少數據量時精度和信息量同時受損。柵格數據參數：山歌形狀、柵格單元大?。ǚ直媛剩?、柵格原點、柵格傾角。柵格單元值的選取：中心點法、面積占優法、重要性法、百分比法。①完全柵格數據結構：將柵格看做一個數據矩陣，逐行逐個記錄柵格單元的值。是最簡單、最直接的柵格編碼方法，通常編碼為柵格文件或格網文件。有三種數據組織方式：（1）基于像元：以像元為獨立存儲單元，每個像元對應一條記錄，每條記錄中的記錄內容包括像元坐標及其各層屬性值的編碼，節省了許多存儲坐標的空間。優點：簡潔明了，便于數據擴充和修改；缺點：進行屬性查詢和面域邊界提取時速度較慢。（2）基于層：以層為存儲基礎，層中以像元為序記錄其坐標和對應蓋層的屬性值編碼。優點：便于進行屬性查詢；缺點：每個像元坐標要重復存儲，浪費存儲空間。（3）基于面域：以層為存儲基礎，層中再以面域為單元進行記錄。記錄面域編號、面域對應該層的屬性值編碼、面域中所有柵格單元的坐標。優點：便于面域邊界提??；缺點：不同層中像元坐標還是要存儲多次。②壓縮柵格數據結構：（1）游程長度編碼結構：柵格數據無損壓縮方式，對于一副柵格數據，在各行（列）數據值發生變化時依次記錄該值以及相同值重復的個數，從而實現壓縮和數據組織。原始柵格數據陣列轉換為數據對。優點：在柵格加密時，壓縮效率較高，且易于檢索，疊加合并等操作運算簡單，適用于及其存儲量小，數據需大量壓縮，而又要避免復雜的編碼解碼運算增加處理和操作時間的情況。缺點：壓縮比大小和圖的復雜程度成反比，當柵格較復雜時，壓縮率不高，這種結構適用于面積較大的專題要素、遙感圖像的分類結構。（2）四叉樹數據結構：將一副柵格數據層或圖像等分為4份，逐塊檢查其格網屬性值，若某個子區所有格網值都一致，則這個子區不再繼續分割，否則將這個子區繼續四等分，直到每個字塊都只含有相同屬性值。有兩種建立方法，一種是從上而下的分割，這種方法需要重復檢查，建立速度較慢；另一種是從下而上的合并，這種方法計算較少，運算速度較快。柵格數據的柵格單元數必須滿足2n×2n的條件，非標準尺寸可以將數據擴充為標準尺寸，不足部分以0補足。1°常規四叉樹：記錄葉節點和中間節點，節點之間借助指針聯系，每個節點需要用6個量表達：4個葉節點指針，1個父節點指針，一個節點屬性值。主要應用于數據索引和圖幅索引，數據量較大，且操作較復雜。2°線性四叉樹：只記錄葉節點的信息，包括葉節點的位置、深度和本節點的屬性值。深度指處于四叉樹的第幾層上，可以推知子區的大小。葉節點的編號使用地址碼，隱含了葉節點的位置和深度信息。最常用的地址碼是MD碼，十進制行列號轉換成二進制，然后行號和列號交叉，得到二進制MD碼，然后將其轉換成十進制。\ （3）二維行程編碼結構：將線性四叉樹前后值相同的葉節點合并，形成一個新的線性表列。這種編碼采用了線性四叉樹的地址碼，并按碼的順序完成編碼，是沒有結構規律的四叉樹。這種編碼更節省存儲空間，有利于以后的插入、刪除和修改等操作，和線性四叉樹間的轉換也非常迅速。③鏈碼結構：線狀地物或區域邊界表示為由某一起始點和在某些方向上的單位矢量鏈組成，單位矢量長度為一個柵格單元，每個后續點可能位于其前繼點的八個基本方向之一。起始點的尋找遵從從上到下、從左到右的規則，發現沒有記錄過的點，且數值不為0時，就是起始點，記下該地物的特征碼及起點的行列數，然后按順時針方向尋跡，找到相鄰的等值點，并記錄基本方向。已記錄過的單元可以將屬性置零，避免重復編碼。優點：可以有效壓縮柵格數據，對計算面積、長度、轉折方向和凹凸度等運算十分方便。缺點：對邊界做合并和插入等修改編輯比較困難，這種結構有些類似矢量結構，但沒有區域的性質，對區域空間的分析運算比較困難。④影像金字塔結構：在統一的空間參照下，根據用戶需要以不同分辨率進行存儲和顯示，形成分辨率和數據量漸變的金字塔結構。用于圖像編碼和漸進式圖像傳輸，是一種典型的分層數據結構形式，是一種柵格數據或影像數據的有損壓縮方法。三、矢柵一體化數據結構①矢量數據結構和柵格數據結構的比較：基本特點優點缺點應用矢量數據結構位置明顯，屬性隱含數據結構嚴密，冗余度小，數據量小；空間拓撲關系清晰，易于網絡分析；面向對象目標的，不僅能表達屬性編碼，而且能方便地記錄每個目標的具體的屬性描述信息；能夠實現圖形數據的恢復、更新和綜合；圖形顯示質量好，精度高。數據結構處理算法復雜；疊置分析和柵格圖組合比較難；數學模擬比較困難；空間分析技術上比較復雜，需要更復雜的軟硬件條件；顯示和繪圖成本比較高。網絡分析、規劃選址柵格數據結構屬性明顯，位置隱含數據結構簡單，易于算法實現；空間數據的疊置和組合容易，有利于和遙感數據的匹配應用和分析；各類空間分析、地理現象模擬均較為容易；輸出方法快速便捷，成本低廉。圖形數據量大，用大像元減小數據量時，精度和信息量受損；難以建立空間網絡連接關系；投影變化實現困難；圖形數據質量低，地圖輸出不精美。集成遙感數據一斤進行空間模擬運算②矢柵一體化數據結構的特點：同時有矢量實體和柵格覆蓋的思想，理論基礎是多級網格方法、三個基本約定和線性四叉樹編碼。（1）多級網格：將柵格劃分為粗網格、基本網格和細分網格。粗網格用于建立空間索引，基本網格即基本柵格，細分柵格用于提高空間分辨率。都采用線性四叉樹編碼方法，使用三個冒的碼。（2）三個約定：1°點狀地物僅有空間位置而無形狀和面積，在計算機中僅有一個坐標數據；2°線狀地物有形狀但無面積，在計算機中需組織一組元子（柵格單元）填滿的路徑表達；3°面狀地物有形狀面積，在計算機中用一組元子表達的填滿路徑的邊界線和內部的區域組成。四、鑲嵌數據結構①Voronoi數據結構：包括四個文件：1°樣點數據文件，包括樣點ID、坐標和屬性值；2°單元鄰接關系文件，包括Voronoi單元ID（即樣點ID）及相鄰Voronoi單元號；3°Voronoi頂點信息表文件，包括Voronoi頂點ID、坐標及頂點標識（標識邊界點）；4°Voronoi單元頂點組成表文件，包括Voronoi單元ID及其組成頂點ID。②TIN數據結構：（1）以三角形作為基本的空間對象進行數據組織，需要兩個文件：1°點文件：每個樣點對應一個記錄，包括ID、坐標及屬性；2°三角形拓撲文件，包括三角形ID、三個頂點ID、鄰接三角形ID。記錄方向為順時針方向。適合于需要面相鄰關系的操作和分析。（2）以節點作為基本的空間對象進行數據組織，需要兩個文件：1°點文件，包括點ID、坐標、屬性值以及指針，指向相連特征點的索引號；2°連接點文件：包括索引號和相連特征點，按順時針方向給出和每個特征點相連的其他特征點號，索引號為順序遞增的流水號，表中的0或-表示項鏈特征點為結尾。這種結構適合需要三角形邊相連關系的操作，如TIN的線性內插分析。五、三維數據結構①八叉樹結構：類似于四叉樹，可以非常方便地實現由廣泛用途的集合運算，由于這種方法的有序性及分層性，對顯示精度和速度平衡、隱線和隱面的消除等帶來了很大方便。②三維邊界表示法：通過制定頂點位置、構成邊的頂點以及構成面的邊來表示三維物體的方法，通常使用三張表來提供點、線、面信息。還可以用一個表存儲屬性信息。第五章空間數據組織和管理一、空間數據庫空間數據庫：GIS的數據庫某一區域內關于一定地理要素特征的書記和，是GIS在計算機物理存儲介質存儲的與應用相關的地理空間數據的綜合，一般是以一系列特定結構的文件的形式組織在存儲介質上的。是GIS中用于存儲和管理空間數據的場所。特點：①數據量特別大。GIS是一個復雜綜合體，要用數據來描述各種地理要素，尤其是要素的空間位置和空間關系等，數據量往往很大；②不僅有地理要素的屬性數據，還有大量空間數據，即描述地理要素空間分布位置的數據，并且這兩種數據之間有不可分割的聯系；③數據應用廣泛。例如地理研究、環境保護、土地利用和規劃、資源開發、生態環境等。組成：包括柵格數據庫（航空遙感影像數據和DEM數據）和矢量數據庫（空間實體數據）。二、空間數據庫引擎空間數據庫引擎：能將空間圖形數據也存放到大型數據庫中管理的產品，spatialdatabaseengine，簡稱SDE。主要是為解決存儲在關系數據庫中的空間數據和應用程序間的數據接口問題。比較常見空間數據庫引擎特點：以OracleSpatial為代表的由數據庫廠商開發的空間數據庫引擎在關系數據庫管理系統奔上做出擴展，使之支持空間數據關系。這種方式可稱為嵌入式空間數據庫引擎。實際上只是在原來的數據庫模型上進行了空間數據模型的擴展，實現點線面等簡單要素的存儲和檢索，并不能存儲數據之前復雜的拓撲關系，也不能建立空間幾何網絡。而以ArcSDE為代表的由GIS公司和數據庫開發商聯合開發的空間引擎則解決了這些問題，能利用空間索引機制來提高查詢速度，利用長事務和版本機制來實現多用戶同時操縱同一類型數據，利用特殊的表結構來實現空間數據和屬性數據的無縫集成。第六章空間數據采集和處理一、概述①數據源分類：1°地圖數據：數據豐富且精度高，國家基本比例尺系列地形圖及各類專題地圖經數字化處理，是GIS最重要數據源之一；2°遙感影像數據；3°實測數據：野外實地測量數據，精度高、現勢性強，可以根據系統需要靈活補充；4°共享數據：許多數據經格式轉換可以在不同系統中重復利用，可以降低系統成本、防止資源浪費，現在通信網絡技術高度發達，為地理信息共享提供了高效可行的通道；5°其他數據。②各類數據源特征：（1）地圖數據：是地理數據傳統描述形式，內容豐富、圖上實體間的空間關系直觀，而且實體的類別或屬性可以用各種符號加以識別表示。包括普通地圖和專題地圖。地圖還是經過系列制圖綜合的產物，在GIS趨勢分析、模式分析等方面有很大作用。、缺點：1°地圖存儲介質缺陷，多為紙質，容易變形；2°地圖現勢性較差，更新周期較長；3°使用不同投影的地圖數據進行交流時要先轉換投影。（2）遙感影像數據：可以快速、準確地獲取大面積、綜合的各類專題信息，還可以取得周期性資料，都為GIS提供了豐富信息。缺點：有自身的成像規律、變形規律，在應用時要注意影像的糾正和分辨率。（3）實測數據：通過轉換可以直接入庫，GPS點位數據、地籍測量數據等通常有較高精度和較好現勢性。（4）統計數據：屬性數據的重要來源，由于統計數據一般是和一定范圍內的統計單位或觀測點聯系在一起，因此采集時要注意包括研究對象特征值、觀測點幾何數據和統計資料的基本統計單位。（5）共享數據：采用已有共享數據要注意數據格式的轉換和數據精度、可信度。（6）多媒體數據：主要功能是輔助GIS的分析和查詢，可通過通信口入庫。（7）文本資料數據：在管理類GIS中有較大應用，對確定專題內容的屬性特征有重要作用。區域信息系統中，文字報告是不可或缺的參考資料。還可以用研究各類類型地理信息系統的缺位、可靠程度和內容完整性。二、數據采集主要采集兩方面內容：空間數據和屬性數據。①空間數據采集：（1）野外數據采集：主要有平板測量、全野外數字測土、空間定位測量等方法。（2）地圖數字化：根據已有紙質地圖，通過手扶跟蹤或掃描矢量化的方法，生產出可以在計算機上存儲、處理和分析的數字化數據。 1°手扶跟蹤數字化。2°掃描矢量化：根據幅面大小，選擇合適規格的掃描儀，對紙質地圖掃描生成柵格圖像，然后經過幾何糾正后，進行矢量化。柵格圖像矢量化的軟件有兩種方式：自動矢量化和屏幕鼠標跟蹤矢量化。前者工作速度較快、效率較高，但由于軟件智能水平有限，結果仍需人工檢查和編輯；后者作業方式和數字化儀基本相同，但數字化精度和工作效率較高。掃描得到的柵格數據數據量比較大，而且存在噪聲和中間色調像元的處理問題。噪聲指不屬于地圖內容的污點和其他模糊的東西形成的像元灰度值，某些軟件能去除一些小臟點；對于中間色調像元可以通過選擇合適閾值來處理。常用MapInfo、GeoStar等軟件進行屏幕跟蹤矢量化及其編輯處理。（3）攝影測量方法：我國絕大部分1:1萬和1:5萬基本比例尺地形圖都使用了攝影測量方法。數字攝影測量：指全數字攝影測量，是基于數字影像和攝影測量的基本原理，應用計算機技術、數字影像處理、影像匹配、模式識別等多學科理論和方法，提取所攝對象用數字方式表達的集合與物理信息的攝影測量方法。數字攝影測量處理的原始影像是數字影像，繼承立體攝影測量和解析攝影測量的原理，同樣需要內定向、相對定向和絕對定向，區別在于數字攝影測量直接在計算機內建立立體模型，可以加入許多人工智能的算法，還可以進行自動相關、識別左右相片的同名點、自動獲取數字高程模型，今兒生產數字正射影像。還可以加入某些模式識別功能，自動識別和提取數字影像上的第五目標。（4）遙感圖像處理：一般指衛星遙感影像，基本成圖原理為地面接收太陽輻射，各地物對其反射特性不同，搭載在衛星上的傳感器捕捉并記錄這種信息，然后傳輸回地面，經過處理可以得到GIS需求的數據。②屬性數據的采集：（1）屬性數據來源：社會環境數據、自然環境和資源和能源。（2）屬性數據分類：地球表面的自然和社會基礎信息分為九大類：測量控制點、水系、居民地、交通、管線和桓柵、境界、地形和土質、植被和其他類，每個大類下又有細分。（3）屬性數據編碼：指確定屬性數據的代碼的方法和過程。基本原則：編碼的系統性和科學性、一致性和唯一性、標準化和通用性、簡潔性和可擴展性。常用編碼方法：1°層次分類編碼法：按照分類對象的從屬和層次關系為排列順序的一種代碼，優點是能明確表示出分類對象的類別，代碼結構有嚴格隸屬關系。比如代碼6代指河流，61代指可通航河，611代指可通航的常年河，6114代指可通航的長度小于10km的常年河，61145代指可通航的長度小于10km的寬度為20~50m的常年河，611451代指可通航的長度小于10km的管庫為20~50m的深度為5~10m的常年河。2°多源分類編碼法：也叫獨立分類編碼法，指對于一個特定的分類目標，根據諸多不同的分類依據分別進行編碼，各位數字代碼之間并沒有隸屬關系。一般具有較大的信息載量，有利于對于空間信息的綜合分析。比如河流編碼的標準分類方案，通航情況：通航：1；不通航：2。流水季節：常年河：1；時令河：2；消失河：3。三、數據編輯①圖形數據編輯：常見錯誤及檢查方法：數字化中手抖動，兩次錄入之間圖紙移動，都會導致位置不準確，且數字化過程中難以精確定位。常見的數字化錯誤是線條連接過頭和不及兩種情況。還有以下幾種：1°偽節點：當一條線沒有一次錄入完畢時，就會產生偽節點，使一條完整線段變為兩段；2°懸掛節點：當一個節點只和一條線相連，那么該節點叫懸掛節點，有過頭、不及、多邊形不封閉、節點不重合等幾種情形；3°碎屑多邊形：也叫條帶多邊形，因為前后兩次錄入同一條線的位置不可能完全一致，就會產生碎屑多邊形，用不同比例尺的地圖進行數據更新時也會產生；4°不正規多邊形：輸入線的過程中，點的次序倒置或位置不準確會引起。這些錯誤一般在建立拓撲時可以發現處理。其它錯誤，如遺漏某些實體、重復錄入某些實體、圖形定位錯誤等可以通過以下方法檢查：1°疊合比較法，將成果數據打印在透明材料上，然后和原圖疊合在透光桌上進行觀察和比較；2°目視檢查法：在屏幕上用目視檢查一些明顯的錯誤；3°邏輯檢查法：根據數據拓撲一致性進行檢驗，入江弧段連成多邊形，數字化節點誤差的檢查等。②屬性數據編輯：屬性數據和空間數據是否正確關聯，編制碼是否唯一不含空值；屬性數據是否準確，其值是否超過取值范圍等。通常是邏輯檢查和人工校對。四、數學基礎變換①幾何糾正：幾何變形原因：地形圖實際尺寸變形，掃描過程中工作人員產生誤差，遙感影像本身的幾何變形，地圖圖幅投影和其他資料不同，或需將遙感影像的中心投影或多中心投影轉換為正射投影，掃描時分塊掃描拼接是產生誤差。地形圖糾正：1°四點糾正法：一般根據選定的數學變換函數，輸入需糾正地形圖的圖幅行列號、比例尺和名稱等，生成標準圖廓，分別采集四個圖廓控制點來完成；2°逐網格糾正法：四點糾正法不能滿足精度要求時使用，每一個方里網都采點。遙感圖像糾正：一般選用和遙感影像比例尺相近的地形圖或正射影像圖作為變換標準，選用合適的變換函數，分別在要糾正的遙感影像和標準地形圖或正射影像圖上采集同名地物點。②坐標變換：（1）投影變換：必須已知變換前后的兩個空間參考的投影參數，然后利用投影公式的正反解算法，推算變化前后兩個空間參考系之間點的函數關系。是坐標變換中精度最高的。（2）仿射變換：在不同方向上進行不同的壓縮和擴張，要求最少三個位移關聯點。（3）相似變換：保持形狀不變，常見的有平移、旋轉和縮放。（4）橡皮拉伸：通過坐標幾何糾正來修正缺陷，主要針對發生在原圖上的幾何變形。也需要位移關聯點。③柵格數據重采樣：處理柵格分辨率匹配問題時常用的方法。（1）最鄰近像元法：適用于類別數據；（2）雙線性插值法：適用于連續數據；（3）雙三次卷積法：有銳化效果。④數據簡化：Douglas-Peucker算法首尾相連，指定基線，計算點的最大距離，大于容差保留，以該點為新的基點，制作新的基線，再計算容差，小于容差，刪去，大于保留，重復上述過程。五、數據重構數據重構主要包括數據結構的轉換和數據格式轉換。矢量-柵格數據轉換時產生的誤差：矢量數據表示的多邊形用像元近似表示時會出現拓撲匹配問題，還會存在像元屬性的編碼問題。柵格數據轉換為矢量數據時，對于點線面坐標的確定不可避免地會產生誤差。六、數據質量評價和控制①空間數據質量概念：（1）誤差：數據和真實值間的差異，只取決于量測值。（2）準確度：量測值和真實值間的接近程度?？捎谜`差衡量。（3）偏差：基于一個面向全體量測值的統計模型，通常以平均誤差來描述。（4）精密度：對某個量的多次測量中，個各量測值間的離散程度。（5）不確定性：對真值的認知或肯定的程度，是更廣泛意義上的誤差，包含系統誤差、偶然誤差、粗差、可度量和不可度量誤差、數據的不完整性、概念的模糊性等。由于真實值難以測量，不確定性應用較廣泛。②空間數據質量評價：評價指標：完備性：要素、要素屬性和要素關系的存在和缺失。包括多余和遺漏。邏輯一致性：對數據結構、屬性及關系的邏輯規則的依附度。具體包括：概念一致性、值域一致性、格式一致性和拓撲一致性。位置準確度：要素位置的準確度。具體包括：絕對或客觀精度，坐標值和可接受或真實值的接近程度；相對或內在精度，數據集中要素的相對位置和其可以接受或真實的相對位置的接近程度；格網數據位置精度。時間準確度：要素時間屬性和時間關系的準確度。具體包括：時間量測準確度、時間一致性、時間有效性。專題準確度：定量屬性的準確度，定性屬性的正確性，要素的分類分級以及其他關系。具體包括：分類分級正確性、非定量屬性準確度、定量屬性準確度和對任意數據質量指標可以根據需要建立其他的具體指標。其他還有數據說明情況、數據相容性、數據可得性、表達形式合理性等指標。七、數據入庫元數據：關于數據的數據。在地理空間信息中用于描述地理數據集的內容、質量、表示方式、空間參考、管理方式以及數據集的其他特征，是實現地理空間信息共享的核心標準之一。主要作用是幫助用戶了解和分析數據，空間數據質量控制，在數據集成中的應用，數據存貯和功能的實現。常見元數據應用比如元數據記錄數據格式、空間坐標體系、數據表達形式等。第七章空間數據查詢和度量空間數據查詢空間數據查詢：從空間數據庫中找出所有滿足屬性約束條件和空間約束條件的地理對象。基本過程大致分三類：直接復原數據庫中的數據信息，通過一些邏輯運算完成一定約束條件下的查詢，根據數據庫中現有的數據模型，進行組合構造出復合模型，模擬現實世界的一些系統和現象。查詢方式：①屬性查圖形；②圖形查屬性。屬性查詢：查找和SQL查詢。圖形查詢：點查詢、矩形或圓查詢、多邊形查詢?？臻g關系查詢：①拓撲關系查詢：鄰接關系、包含關系和關聯關系；②緩沖區查詢。緩沖區：根據數據庫中的點線面實體自動建立其周圍一定寬度范圍的多邊形，來表征特定地理實體對領域的影響范圍。距離量算和方位量算線狀物體量算①長度：不考慮比例尺，用距離數學公式可以計算現狀物體長度，對于復合線狀地物對象，還需求各分支曲線的長度和。對離散坐標點的選擇對長度計算的精度十分重要，常在曲線拐彎處增多點，在平直段減少點。柵格數據結構里則累加地物骨架線通過的網格數目，若連接方向為對角線時需要乘根號2。②分數維數：用步長為d的折線去擬合曲線時，隨著步長變化，曲線長度也發生變化，但變化率并不相等，這個特性就是受曲線的分數維描述的，其大小描述了物體復雜程度。③曲率：反映曲線局部特征，定義為曲線切線方向角相對于弧長變化率，用離散點表示的線狀物體要先進行光滑插值。④彎曲度：描述曲線彎曲程度的參數，定義為曲線長度和曲線兩端點定義的線段長度比。面狀物體的量算①面積：矢量結構下，面狀地物以其輪廓邊界弧段構成的多邊形表示，常用梯形法球算面積。柵格方式表示的面狀物體可以通過柵格計數來獲取。②周長：計算每條線段長度然后相加，用柵格方式表示的面狀地物，需先對格網單元集合外部的周長單獨識別，周長由格網單元分辨率乘以格網單元地總數來確定。③形狀：用圓來描述多邊形形狀特征的測量方法叫測量多邊形的凸度或凹度法。CI為凸度數，圓為100，最不成圓形為1。④質心：一個多邊形的幾何中心，在某些情況下，質心描述的是分布中心。常用于宏觀經濟分析和市場區位選擇，還可以跟蹤某些地理分布變化。⑤最大內切圓、最小外接圓、最小凸包。第八章GIS基本空間分析一、疊置分析①概念：將有關主題層組成的各個數據層面進行疊置產生一個新的數據層面，其結果綜合了原來兩個或多個層面要素具有的屬性，同時不僅生成了新的空間關系，還將輸入的多個數據層的屬性聯系起來產生了新的屬性關系。被疊加的要素層面必須是基于相同坐標系統的、基準面相同的、同一區域的數據。②矢量數據的疊置分析：（1）點和多邊形疊置：結果往往是將其中一個圖層屬性信息注入另一個圖層中，然后更新得到的數據圖層。（2）線和多邊形疊置：要先比較線坐標和多邊形坐標關系，線跨越多邊形時會被分割成兩個新弧段，并重建線的屬性表。（3）多邊形疊置：首先要進行幾何相交，求粗所有多邊形邊界線交點，再根據這些交點重新裝配多邊形，建立拓撲關系，并賦予其唯一標識碼。容易產生破碎多邊形，是由數據輸入誤差導致的。③柵格數據的疊置分析：更易處理，不存在破碎多邊形等問題。（1）布爾邏輯運算；（2）重分類：將屬性數據的類別合并或轉換成新類，以利于分析；（3）數學運算復合法：包括算數運算和函數運算。二、緩沖區分析①緩沖區類型：點緩沖區、線緩沖區和面緩沖區（內外緩沖區）。②緩沖區的建立：對于點緩沖區只要以點狀要素為圓心以緩沖區距離為半徑繪圓即可得到，對于線緩沖區和面緩沖區，通常是以其邊線為參考線，做其平行線，并考慮其端點處建立的原則，即可建立緩沖區。一般有角平分線法和凸角圓弧法。應注意的問題：緩沖區疊置處理：多個特征緩沖區間的疊置可以通過拓撲分析的方法自動識別在緩沖區內部的弧段或線段，得到最后的緩沖區；同一特征緩沖區圖形的重疊可以通過緩沖區邊界曲線逐條線段求交，若有交點則記錄交點并截斷曲線，線段剩余部分在區內則刪除，在區外則記錄。緩沖區寬度不同處理：當不同級別的同一類要素建立緩沖區時，由于級別不同，而產生緩沖區的范圍大小不同，根據不同屬性確定不同緩沖區寬度，再生成緩沖區。還有分級緩沖區、可變距離緩沖區等。三、窗口分析①概念：對于柵格數據系統中的一個、多個柵格點或全部數據，開辟一個有固定分析半徑的分析窗口，并在該窗口內進行諸如極值、均值等一系列統計計算，或與其他層面信息進行必要的復合分析，從而實現柵格數據有效水平方向的擴展分析。②三個要素：（1）中心點：最中間的柵格點，窗口分析運算后的數值賦予它；（2）窗口大小和類型；（3）運算方式。③窗口分析的類型：（1）統計運算：常有平均值統計、最值統計、中值統計、求和統計、標準差統計以及其他。（2）測度運算：有范圍統計、多數統計、少數統計、種類統計等。（3）函數運算：濾波運算（處理遙感圖像）、地形參數運算（坡度坡向運算，平面曲率、剖面曲率計算等）；（4）追蹤分析：對于特定的柵格數據系統，由一個或多個起點，按照一定的追蹤法則進行追蹤目標